李懷珍，王傳軍(上海電科電機科技有限公司，上?！?00063)

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電動汽車電機及控制器性能測試系統(tǒng)

李懷珍，王傳軍
(上海電科電機科技有限公司，上海200063)

摘要:電動汽車電機與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機有很大的不同，其性能測試系統(tǒng)也與普通電機的測試系統(tǒng)存在著本質(zhì)的差異，因此有必要對電動汽車電機及其控制器的性能測試方法進行研究。針對電動汽車電機及控制器的特點，介紹了目前常用的電動汽車電機及其控制器性能測試方案。

關(guān)鍵詞:電動汽車電機;控制器;測試系統(tǒng)

0　引言

電動汽車作為一種交通工具，以其清潔無污染、能量效率高、低噪聲、能源多樣化等優(yōu)點受到了全球各國和各大公司重視，研究發(fā)展非常迅速。目前，國內(nèi)外對電動汽車的研究主要集中在計算機仿真和室外道路實車試驗兩個方面［1］。電動汽車的核心是驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)，驅(qū)動電機及控制器性能對整個電動汽車的性能起到至關(guān)重要的作用［2］。然而由于計算機仿真技術(shù)的不確定性和實車試驗的局限性，許多汽車電機制造企業(yè)、檢驗檢測機構(gòu)、專業(yè)科研院所都非常迫切希望建立體現(xiàn)核心競爭力的電動汽車電機及其控制器測試裝備。

1　電動汽車動力電機

電動汽車要具有良好的性能，使用的動力電機應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍和較高的轉(zhuǎn)速，足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高，動態(tài)制動能力較強，且能夠回饋能量［3］。動力電機的類型對汽車性能的影響很大，目前應(yīng)用和開發(fā)較多的電機主要有直流電動機、感應(yīng)電動機、永磁同步電動機及開關(guān)磁阻電動機等。

圖1　直流電機驅(qū)動特性

直流電機驅(qū)動特性［4］如圖1所示。由圖1可知，直流電機在基本轉(zhuǎn)速Nb以下運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，Nb以上運行于恒功率區(qū)。這種特性很適合汽車低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的要求，而且直流電機易于平滑調(diào)速，控制技術(shù)成熟，早期的電動車研究主要采用直流電機驅(qū)動。直流電機的缺點是效率和轉(zhuǎn)速相對較低，運行時需要電刷和機械換向裝置，機械換向結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電火花，不適合在多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境中使用，維護麻煩，很難向大容量、高速度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說也是致命的。直流電機價格高、體積和重量大，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前直流電機在電動汽車上的應(yīng)用逐漸減少。

感應(yīng)電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行可靠、效率高等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電動機一般采用鼠籠型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)久耐用。美國通用生產(chǎn)的IMPACT和EV1電動汽車，福特公司生產(chǎn)的Ranger電動汽車采用感應(yīng)電動機。但是感應(yīng)電動機最大的缺點是其功率因數(shù)低，并且調(diào)速性能較差，控制系統(tǒng)較復雜、成本高。

永磁同步電動機是一種高性能的電動機，其驅(qū)動特性如圖2所示。永磁同步電機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較寬，一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)速的約50%處，對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。電機最高轉(zhuǎn)速較高，能達10 000 r/min。永磁同步電動機功率密度高、調(diào)速性能好、在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行效率高(90%～95%)，更加適合作為電動汽車的動力電機。永磁同步電動機在電動汽車的應(yīng)用研究方面具有良好的應(yīng)用前景。比如豐田的Prius最大功率為50 kW，最高轉(zhuǎn)速為11 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為115 N·m，最高車速為180 km/h，0～100 km/h加速時間為10.9 s;福特Escape Hybrid采用的永磁同步電動機最大功率為70 kW，最大轉(zhuǎn)矩為175 N·m;本田FCX燃料電池概念車采用的永磁同步電動機最大功率為80 kW，最大轉(zhuǎn)矩為2 725 N·m，最高車速為150 km/h。

圖2　永磁無刷同步電機的驅(qū)動特性

開關(guān)磁阻電機是由電機本體和開關(guān)電路控制器組成的機電一體化新型電機。其優(yōu)點是可控相數(shù)多，容易實現(xiàn)四象限控制，效率高等，其轉(zhuǎn)子上無繞組，適用于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊的負載，而且起動轉(zhuǎn)矩大、電流較小，缺點是轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、系統(tǒng)非線性、價格昂貴等，目前還應(yīng)用不廣泛。

以電機為核心的電動汽車，其專用電機具有以下幾個特點:

(1)相對于普通旋轉(zhuǎn)電機而言，額定轉(zhuǎn)速及峰值轉(zhuǎn)速均較高;

(2)實際運行狀態(tài)下的負載工作狀態(tài)較復雜;

(3)一般供電電源為直流蓄電池;

(4)電動汽車一般運行在電動機狀態(tài)下，但是在剎車制動的狀態(tài)下會運行在發(fā)電回饋的狀態(tài)，具有再生能量回饋制動的特性。

2　電動汽車電機及控制器試驗標準

為了保證電動汽車關(guān)鍵零部件之一的驅(qū)動電機及其控制器的性能，國家發(fā)布實施了驅(qū)動電機及其控制器專項檢測標準，即GB/T 18488.1—2006《電動汽車用電機及其控制器第1部分:技術(shù)條件》及GB/T 18488.2—2006《電動汽車用電機及其控制器第2部分:試驗方法》。其中分別規(guī)定了動力電機及控制器的工作制、工作條件、技術(shù)要求、需要檢驗的項目以及相關(guān)的試驗方法。標準從機械、電安全性能、環(huán)境試驗、電機性能以及電磁兼容等方面對產(chǎn)品提出了要求。

電機性能測試是電機及控制器試驗中最重要的，電機的性能主要考核電機在額定負載和峰值負載下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性及效率、電機的再生能量回饋能力、最高工作轉(zhuǎn)速和超速能力、工況運行的溫升及噪聲的大小。

3　電機及控制器性能試驗方案

電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，需要滿足可靠性高、效率高、調(diào)速性能好、造價低等性能要求。通過試驗得到驅(qū)動系統(tǒng)的準確性能，對電動汽車的電機及其控制器的設(shè)計、生產(chǎn)和性能提高具有重要意義，也對電動汽車整車設(shè)計提供準確的技術(shù)數(shù)據(jù)，對提高整車性能也具有重要意義。目前，在行業(yè)內(nèi)電動汽車用電機及其控制器測試系統(tǒng)的方案主要有以下幾種。

3.1電力測功機

電力測功機分直流電力測功機和交流電力測功機，目前用得較多的是交流電力測功機。電力測功機由測功機系統(tǒng)(模擬負載)、動力電池模擬系統(tǒng)、機械及電功率測量系統(tǒng)等部分組成［5-6］，原理如圖3所示。系統(tǒng)采取的控制模式是:被測電機為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，直流負載電機為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理如下:單相整流電源產(chǎn)生幅值可調(diào)的直流電，逆變器將直流電逆變成三相交流電給電機供電，用轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器測量電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;減速器用來降低被測電機的轉(zhuǎn)速，他勵直流電機工作在4個象限自動切換的轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式下，由于控制器是雙向可逆的，可以將電機發(fā)的電回饋至電網(wǎng)，產(chǎn)生一個阻力矩與被測電機發(fā)出的電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的一個穩(wěn)態(tài)。

圖3　電力測功機系統(tǒng)組成

3.2電渦流測功機

電渦流測功機是利用渦流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩來測量機械轉(zhuǎn)矩的裝置，測試示意圖如圖4所示［7］。電渦流測功機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便、制動力矩大、轉(zhuǎn)動慣量小，缺點是只能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，不能反拖作為電動機運行。一般用于測量轉(zhuǎn)速上升而轉(zhuǎn)矩下降，或轉(zhuǎn)矩變化而轉(zhuǎn)速基本不變的動力機械。因此只能用于測試動力電機的性能曲線，不能用于饋電特性的測試。

圖4　電渦流測功機測試示意圖

3.3對拖測試法

對拖測試一般需要2臺完全一樣或相近的電機及其控制器，2個電機通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器將2個電機輸出軸機械連接，當被測電機為驅(qū)動狀態(tài)時，另一臺電機處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能通過控制器轉(zhuǎn)化為直流輸入驅(qū)動電機的輸入端，循環(huán)使用。圖5所示為帶AFE四象限整流的電機及控制器對拖測試方案，交流電網(wǎng)電源經(jīng)AFE整流成直流母線電源輸入至控制器的輸入端，同時AFE整流單元也可將測試制動過程中多余的能量回饋至電網(wǎng)。這種測試方法具有節(jié)能的優(yōu)點，但是通用性不是太好，一般來說，需要對電機和控制器的試驗方法和操作都非常熟悉的試驗人員才能完成相應(yīng)的測試試驗。目前這種方法在電機和控制器生產(chǎn)企業(yè)用得比較普遍。

3.4電動汽車電機及控制器專用測試裝備

圖5　對拖測試試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動汽車電機-控制器專用測試裝備通用性較好，可以滿足多種型號、規(guī)格的電機和控制器試驗。它主要由陪試電機、大功率電機驅(qū)動器、高性能嵌入式控制系統(tǒng)、智能工況模擬系統(tǒng)、能源系統(tǒng)(電池系統(tǒng))、系統(tǒng)工作參數(shù)檢測和采集系統(tǒng)等構(gòu)成，能全方位展示電動汽車在不同工況下的工作狀況。智能模擬車輛負載系統(tǒng)與電機控制系統(tǒng)聯(lián)動，模擬電動車系統(tǒng)的不同工況(起動、怠速、勻速、加速、減速、停車及爬坡等)，并實時、自適應(yīng)、智能調(diào)節(jié)負載大小。測試裝備整合了計算機仿真快速、靈活的動態(tài)模擬優(yōu)勢和道路試驗準確可靠的優(yōu)點來進行電動汽車電機及控制器的研究。圖6所示為根據(jù)電動汽車電機及控制器的試驗特點設(shè)計的電動汽車電機及控制專用測試裝備框圖。各模塊功能和作用分別如下:

(1)電源模塊:根據(jù)不同的試驗電機或控制器提供可控的交直流電源;

(2)電機及控制器性能測試模塊:測試動力電機或控制器的性能，實現(xiàn)電動汽車的驅(qū)動控制;

(3)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量模塊:用來測量動力電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等機械特性參數(shù);

(4)電參數(shù)測量模塊:用來測量動力電機的電壓、電流等電力性能指標;

(5)行駛阻力模擬模塊:模擬電動汽車道路行駛過程中的各種行駛阻力;

(6)能量管理模塊:實現(xiàn)測試系統(tǒng)的能量管理，并采取一定的控制策略使測試系統(tǒng)達到最優(yōu)的能量控制。

圖6　電動汽車電機及控制器專用測試裝備

這種測試方案設(shè)計復雜、成本高，但是比較適合檢驗檢測機構(gòu)、專業(yè)科研院校采用。

據(jù)最新資料顯示，目前國外同類產(chǎn)品可達到的測試能力:最大額定功率216 kW、最大額定轉(zhuǎn)矩480 N·m、最高轉(zhuǎn)速13 000 r/min，例如加拿大GREENLIGHT公司出品的電動汽車電機試驗臺就達到了此測試能力，并且已經(jīng)實現(xiàn)了多種規(guī)格的系列化;然而在國內(nèi)，同類產(chǎn)品的測試能力僅為最大額定功率37 kW、最大額定轉(zhuǎn)矩65.3 N·m、最高轉(zhuǎn)速4 510 r/min。

在上海市科委的支持下，由上海電科電機科技有限公司牽頭研制的電動汽車電機及控制器專用測試裝備的原型樣機目前已成功實現(xiàn)了最大額定功率150 kW、額定轉(zhuǎn)矩200 N·m、額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min、最高轉(zhuǎn)速20 000 r/min的測試能力。

4　結(jié)語

本文對幾種電動汽車電機作了概要的論述，對汽車電機和控制器的性能檢測簡要提供了幾個主要技術(shù)方案，并在此基礎(chǔ)上介紹了目前國內(nèi)外電動汽車電機及控制器專用測試裝備測試能力。

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Electric Motor and Controller Performance Test System

LI Huaizhen，WANG Chuanjun
(SEARI Electrical Machinery Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

Abstract:The electric vehicle motor is different from traditional rotating motor，and the performance test system also with essential differences between the exist ordinary motor test system.Therefore，it is necessary to study the performance test methods for electric vehicle motor and its controller.The characteristics of electric vehicle motor and controller were introduced，and the performance testing scheme of electric motor and controller was introduced.

Key words:electric vehicle motor; controller; test system

收稿日期:2015-10-03

作者簡介:李懷珍(1985—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為機電控制技術(shù)和電機性能檢測技術(shù)。王傳軍(1973—)，男，大學本科，高級工程師，研究方向為電機試驗技術(shù)及電機檢測設(shè)備。

中圖分類號:TM 301.2

文獻標志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0079-04